煉油系統(tǒng)中間輕質(zhì)油罐內(nèi)腐蝕及防護(hù)

丁少軍

(中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司,廣東茂名 525000)

煉油系統(tǒng)中間輕質(zhì)油罐內(nèi)腐蝕及防護(hù)

丁少軍

(中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司,廣東茂名 525000)

敘述了煉制高硫高酸原油以來(lái)煉油系統(tǒng)中間輕質(zhì)油罐腐蝕的基本情況和腐蝕失效對(duì)油罐區(qū)設(shè)備及安全生產(chǎn)造成的危害,介紹了近 10年來(lái)中國(guó)石化油罐事故情況和主要煉油廠中間汽油 (石腦油)罐采用的油罐結(jié)構(gòu),對(duì)兩種主要結(jié)構(gòu)油罐的腐蝕現(xiàn)象及腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析,并從油罐介質(zhì)、環(huán)境、涂料性能及油罐結(jié)構(gòu)、施工等方面分析了涂料防腐的失效和內(nèi) (外)浮頂罐中間壁板發(fā)生腐蝕的原因,提出內(nèi) (外)浮頂結(jié)構(gòu)加劇了油罐中間壁板腐蝕。結(jié)合茂名石化對(duì)涂料的浸泡試驗(yàn)、防腐管理及施工情況提出對(duì)涂料選擇和施工管理的基本要素。

輕質(zhì)油罐 腐蝕 浸液式密封 涂料浸泡 磨料噴射

在 20世紀(jì) 90年代以前,儲(chǔ)油罐的腐蝕部位一般是在原油罐底板、輕油罐頂及頂部第一圈板 (汽、液相部位);焦化汽油、重整原料油等高含硫中間汽油及部分污水罐整體。近年來(lái) (特別是 90年代末以來(lái))由于所加工高含硫原油比例升高,油罐 (包括附件,下同)的腐蝕表現(xiàn)及機(jī)理均出現(xiàn)極大的變化,主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):a)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的油罐數(shù)量大,幾乎所有油罐都不能避免;b)腐蝕原因及表現(xiàn)復(fù)雜,過(guò)去的有關(guān)規(guī)范及理論許多已不完全適合目前情況;c)腐蝕速度快。

其中輕質(zhì)油中汽油、石腦油罐的腐蝕尤為突出。近 10年中國(guó)石化系統(tǒng)輕質(zhì)油罐發(fā)生的安全事故共有 14起,其中由腐蝕原因而發(fā)生的占了 10起,詳見表 1。

表 1 部分石化企業(yè)輕質(zhì)油發(fā)生的安全事故分析Table 1 Analysis of some petroleum enterprises safty record occur by light oil

除含硫污水罐以外,輕質(zhì)油中間油罐一般采用內(nèi)浮頂或浮頂結(jié)構(gòu),部分石化企業(yè)輕油罐結(jié)構(gòu)型式見表 2,部分企業(yè)輕質(zhì)油儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)比例見圖 1。

表 2 部分企業(yè)輕質(zhì)油罐結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of some light oil storage tanks structure

1 高含硫中間汽油 (石腦油)內(nèi)浮頂罐的腐蝕

1.1 腐蝕狀況

主要表現(xiàn)為涂層鼓泡、脫落、鋼板表面產(chǎn)生大量鐵銹 (包括硫化鐵),除掉鐵銹后鋼板表面發(fā)現(xiàn)密密麻麻的坑點(diǎn),有些坑點(diǎn)在打砂后出現(xiàn)穿孔,如2002年對(duì)茂名石化 804號(hào)罐及 800/3號(hào)罐 (石腦油)均出現(xiàn)這種情況,見圖 2。

圖 2 茂名石化 800/3號(hào)罐內(nèi)壁腐蝕Fig.2 Corrosion conditions of internalwall ofMPCC tank 800/3

內(nèi)浮頂罐的腐蝕部位一般出現(xiàn)在罐體中間壁板部分,往往是在罐頂及頂?shù)谝蝗Π?、罐底及底第一圈板涂層非常完好的情況下,罐體其余部分涂層已損壞嚴(yán)重、鋼板減薄并出現(xiàn)大量硫化鐵。在對(duì)茂名、高橋、鎮(zhèn)海、廣州等石化企業(yè)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的腐蝕表現(xiàn)如出一轍。傳統(tǒng)的油罐腐蝕理論認(rèn)為汽油罐頂板腐蝕最嚴(yán)重,底板次之,圈板最輕,與目前的實(shí)際情況相反。

涂層失效后,鋼板急劇減薄,茂名石化 332號(hào)罐2000年與 2001年罐壁最薄測(cè)厚數(shù)據(jù)對(duì)比見表 3。

表 3 332號(hào)罐罐壁最薄測(cè)厚數(shù)據(jù)Table 3 Min imum thickness of tank 332 mm

采用內(nèi)浮頂?shù)挠凸?一旦其浮盤失效,油氣無(wú)法密封時(shí),頂板腐蝕將比壁板嚴(yán)重。2010年檢查廣州 G1107號(hào)罐 (其罐內(nèi)鋁浮盤已失效)頂,其中已出現(xiàn)多處穿孔,壁板相對(duì)好得多。

拱頂罐的腐蝕部位主要在氣相,罐底存水部位也較嚴(yán)重。

1.2 腐蝕機(jī)理分析

油罐任何部位的腐蝕都是由氧和水 (液態(tài))的參與而發(fā)生的,酸、硫化氫和二氧化碳等腐蝕介質(zhì),特別是硫化氫的存在加劇了罐體的腐蝕。當(dāng)罐內(nèi)涂層被破壞或涂層質(zhì)量不好,腐蝕過(guò)程在溶解有硫化氫、二氧化碳、蒸汽及氧的水薄膜下進(jìn)行 (油面下降時(shí)或氣溫降低,罐壁暴露在氣相部分,當(dāng)輕烴和水汽在罐壁上凝結(jié),使罐壁上形成一層液膜,金屬在液膜下的腐蝕速度是在大量液體中的幾十倍,這是油氣相交替部位腐蝕最快原因之一),腐蝕表現(xiàn)主要是電化學(xué)腐蝕,硫化物的存在使化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕同時(shí)發(fā)生。

發(fā)生電化學(xué)及化學(xué)腐蝕的原因及表現(xiàn)均十分復(fù)雜,腐蝕速度取決于油品中的硫化物、氣相中的氧、二氧化碳和空氣濕度等多方面因素。油品中硫化氫的含量越大,腐蝕速度越快,硫化氫含量的絕對(duì)值并不起主要作用,研究表明當(dāng)介質(zhì)中氧與硫化氫的比例為 114∶1時(shí),腐蝕最大;空氣中的相對(duì)濕度越大,腐蝕速度越快;介質(zhì)溫度越高,腐蝕速度越快。這也正是南方地區(qū)油罐腐蝕遠(yuǎn)較北方嚴(yán)重的原因之一。

當(dāng)油罐內(nèi)壁涂層破壞嚴(yán)重,涂層囊孔內(nèi)生成的硫鐵類物質(zhì)很多,在油罐付油時(shí),從透氣孔補(bǔ)充的新鮮空氣富含氧,硫鐵類物質(zhì)與油罐本體發(fā)生氧化反應(yīng)與氧發(fā)生放熱反應(yīng)如:

反應(yīng)的熱量在被破壞的涂料層內(nèi)大量積聚,囊孔內(nèi)的物質(zhì)溫度急速升高,在達(dá)到硫鐵類物質(zhì)的自燃點(diǎn)后發(fā)生燃燒。

總的來(lái)講未精制汽油餾分的氧含量和硫化氫含量最高,故腐蝕最劇。茂名石化部分焦化油罐硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表 4。

表 4 焦化油罐中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Content of sulfur in coking tank

1.3 腐蝕加劇原因分析

1.3.1 涂層性能的影響

按國(guó)家及中國(guó)石化規(guī)定,近年來(lái)均采用防靜電涂層,涂層性能主要取決于以下兩方面:

(a)防靜電涂層結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)電填料的標(biāo)準(zhǔn)電極電位:目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的防靜電涂料主要采用金屬粉末、金屬氧化物、碳 (石墨),常用導(dǎo)電填料及鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位見表 5。

表 5 常用導(dǎo)電填料標(biāo)準(zhǔn)電極電位Table 5 Standard Electrode Potentials of conductive filling commonly used

從表 5可看出,除鋅粉外,其它材料的標(biāo)準(zhǔn)電極電位均較鐵標(biāo)準(zhǔn)電極電位正,因而所制造的防靜電涂料涂層對(duì)罐內(nèi)壁是腐蝕電池的陰極,使罐壁板成為陽(yáng)極,當(dāng)水分及氧存在時(shí)即發(fā)生電化學(xué)腐蝕:

外觀表現(xiàn)為漆膜下的氫氣將漆層鼓起一個(gè)個(gè)小泡,泡破后可見鐵銹,鋼板表面坑點(diǎn)密密麻麻。

水分一旦滲進(jìn)底漆與鋼板接觸面,上述反應(yīng)即發(fā)生。而 2000年前石化系統(tǒng)大多采用石墨作導(dǎo)電材料,由于石墨表面吸附有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%～3%的水,如果施工時(shí)相對(duì)濕度大,溶劑揮發(fā)令水汽凝結(jié)在漆膜中,發(fā)生電化學(xué)腐蝕機(jī)會(huì)更大。

(b)防靜電涂層的抗?jié)B透性 (即阻止水分和氧滲透的能力):一般而言,任何涂層都具有一定的透氣性,涂層的結(jié)構(gòu)孔的平均直徑為 10-5～10-7cm,而水和氧的分子直徑只有幾個(gè) 。A,故涂層很薄時(shí),水和氧分子可自由通過(guò)。

涂層的抗?jié)B透性取決于多方面因素,采用透氣小的成膜物質(zhì)及抗?jié)B透填料如分子鏈上支鏈少、極性基團(tuán)多、體型結(jié)構(gòu)和交聯(lián)密度大的高分子材料及鱗片狀填料可提高抗?jié)B透性;溶劑揮發(fā)性適中也可減少因溶劑揮發(fā)而形成的氣孔;黏結(jié)劑的極性,填料的體積比及幾何形狀、分散度也是影響涂層抗?jié)B透性的重要因素。

施工質(zhì)量特別是施工后漆膜針孔的多少對(duì)涂層的抗?jié)B透性也至關(guān)重要,用 10倍放大鏡檢查漆膜外觀,應(yīng)無(wú)針穴針孔,針穴針孔及漏涂都將導(dǎo)致水分迅速擴(kuò)散,在清罐檢查中發(fā)現(xiàn)的罐壁局部腐蝕主要是施工質(zhì)量差所至;10倍放大鏡檢查漆膜,若漆面明顯粗糙或見粉團(tuán)狀凸起顆粒,則表明導(dǎo)電填料未充分?jǐn)U散,水分可通過(guò)填料粒之間空隙迅速擴(kuò)散;施工完后一段時(shí)間,用柔軟物體適當(dāng)擦涂層應(yīng)不會(huì)掉下組成物,反之表明黏結(jié)劑對(duì)導(dǎo)電填料及其它顏料包裹不完全,漆膜中存在填料顆?？障?用手摸涂層有黑色即為基料對(duì)炭黑粒子的包裹不足,致使抗?jié)B透性差。施工中的其它不利因素也對(duì)涂層使抗?jié)B透性產(chǎn)生影響。

漆膜厚度也是影響涂層的抗?jié)B透性的重要因素。國(guó)外一般采用厚度為 250～300 um的涂層,而2010年中國(guó)石化總部組織的調(diào)研情況表明石化大部分企業(yè)均采用 200 um左右厚涂層。

涂料品種千差萬(wàn)別、性能各異,因此對(duì)涂料的試驗(yàn)、檢驗(yàn),對(duì)涂料生產(chǎn)過(guò)程的嚴(yán)格質(zhì)量控制,對(duì)施工質(zhì)量的嚴(yán)格把關(guān)都非常重要。

1.3.2 內(nèi)浮頂罐結(jié)構(gòu)的影響

(a)內(nèi)浮頂密封膠帶對(duì)罐壁長(zhǎng)期的反復(fù)磨擦對(duì)涂層造成破壞,如果涂層下面包含了一個(gè)個(gè)砂粒 (在許多企業(yè)的防腐施工中都發(fā)現(xiàn)了大量的類似情況),這種破壞將更加廣泛和容易。這是浮盤起浮高度(1.8m)以下部分及油面操作高度以上部分涂層壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于浮盤接觸部分罐壁的重要原因之一。

(b)罐內(nèi)油氣絕大部分集中于密封膠帶附近的罐壁處,這里的油氣中硫化氫含量最高,油氣相交替最頻繁。

按腐蝕學(xué)的一般理論,罐內(nèi)油品液相部分因接觸水分和氧較少而腐蝕較輕,故在脫水較完全的情況下,罐內(nèi) 1.8m以下部分腐蝕較輕;油品中氧氣主要從氣體間吸收來(lái),對(duì)罐造成嚴(yán)重腐蝕的硫化氫也主要存在于油品揮發(fā)的氣相中,內(nèi)浮頂罐罐壁頂部有 4～8個(gè)罐壁通氣孔與大氣相通,故浮盤上方的水和空氣是充分的,但硫化氫的含量同時(shí)也大為降低,故罐頂及罐頂?shù)谝蝗Π甯g也較輕。

目前國(guó)內(nèi)包括中國(guó)石化系統(tǒng)采用的內(nèi)浮頂密封幾乎全是非浸液式,即密封膠帶與液面之間有約200 mm左右的空間 (見圖 3),油品揮發(fā)的硫化氫等腐蝕介質(zhì)幾乎全集中于密封膠附近 (主要是密封膠以下的空間),有部分硫化氫因密封泄漏而到浮頂上部,但后因罐壁通氣孔與大氣相通而含量大大降低,當(dāng)浮盤設(shè)計(jì)、制造有缺陷如有些浮盤邊緣主梁有間隙,使邊緣主梁內(nèi)側(cè)的油氣也泄漏到密封膠處,油氣含量將更大;同樣的介質(zhì)如采用拱頂結(jié)構(gòu),因氣體空間大而油氣內(nèi)硫化氫含量遠(yuǎn)比不上內(nèi)浮頂罐,內(nèi)浮頂罐幾乎飽和的硫化氫含量使腐蝕速度大大加快。

2 外浮頂石腦油罐的腐蝕

2.1 腐蝕狀況

茂名石化浮頂石腦油儲(chǔ)罐中的 6座,1998年 9月檢查發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)壁自浮船起浮高度 (約 2.0m)到安全高度間涂層出現(xiàn)局部鼓泡,1999年底大面積鼓泡脫落并產(chǎn)生大量鐵銹,2000年初涂層及鐵銹大量脫落。2000年 11月對(duì)罐噴砂后檢查,罐內(nèi)壁自浮船起浮高度 (約 2.0m)到安全高度間全部布滿密密麻麻的坑點(diǎn),多處穿孔,部分圈板失穩(wěn)。

2.2 腐蝕機(jī)理分析

這些罐是外浮頂罐,有充分的空氣和水分,外浮頂罐與涂層一旦被破壞或涂層致密性不好,水分及氧、硫化氫等介質(zhì)就會(huì)滲進(jìn)涂層內(nèi)部,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)造成罐體腐蝕加劇,大部分罐都是內(nèi)壁先產(chǎn)生大量鐵銹然后使涂層成片剝離。外浮頂罐與同內(nèi)浮頂罐腐蝕機(jī)理相類似。因?yàn)榭諝獬浞?生成的硫鐵類物質(zhì)很快氧化且散熱快,故不會(huì)發(fā)生自燃的危險(xiǎn)。

2.3 造成腐蝕加劇原因分析

2002年前上述 6個(gè)罐投用僅 2 a多涂層便開始鼓泡,3 a多涂層幾乎全部損壞,造成上述問(wèn)題原因有多方面,最主要的原因是加石墨的防靜電涂料不具備優(yōu)良的耐硫化氫腐蝕、耐老化和耐磨性,涂層被破壞后電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重。茂名乙烯原料油(輕石腦油)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為 2 800μg/g,存在大量硫化氫,這些罐是外浮頂罐,有充分的空氣和水分,涂層一旦被破壞或涂層致密性不好,水分、氧、硫化氫就會(huì)滲進(jìn)涂層內(nèi)部,發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)造成罐體腐蝕加劇,161～166號(hào)罐都是內(nèi)壁先產(chǎn)生大量鐵銹然后使涂層成片剝離;由于外浮頂罐長(zhǎng)期受太陽(yáng)照射、雨水風(fēng)浸蝕,對(duì)涂料耐候性 (耐老化性)有較高要求,涂層一旦老化,給電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了充分條件;由于浮盤密封橡膠采用 2.2 mm厚丁腈橡膠一次密封而且罐周轉(zhuǎn)次數(shù)多,涂料必須具有優(yōu)良的耐磨性能。

罐內(nèi)油氣絕大部分集中于密封膠帶附近的罐壁處。外浮盤密封形式造成油氣含量 (含硫化氫)在密封膠帶附近的罐壁處最高,同內(nèi)浮頂罐一樣,采用非浸液式密封的石腦油罐也出現(xiàn)同樣的腐蝕情況。故浮盤起浮高度以外的罐壁板及底板未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕。

3 采取的對(duì)策及目前狀況

目前對(duì)高含硫腐蝕介質(zhì)的汽油、石腦油等儲(chǔ)罐的防護(hù),涂料防腐蝕仍是最重要的手段。

3.1 涂料的設(shè)計(jì)及選擇的基本要求

不能采用碳系列材料作導(dǎo)靜電填料,應(yīng)選擇具有良好的致密性、優(yōu)良的耐腐蝕性能的涂料。

綜合各種防腐涂料防腐性能分析及試驗(yàn)情況,目前技術(shù)條件下,石腦油儲(chǔ)罐、焦化汽油儲(chǔ)罐、催化汽油儲(chǔ)罐和輕污油儲(chǔ)罐等罐內(nèi)防腐底漆宜采用無(wú)機(jī)富鋅或環(huán)氧導(dǎo)靜電類涂料,面漆宜采用環(huán)氧或聚氨脂類耐熱耐油性導(dǎo)靜電涂料,涂層厚度不應(yīng)小于250μm;對(duì)內(nèi)外浮頂結(jié)構(gòu)的輕油罐應(yīng)特別重視對(duì)浮盤運(yùn)行區(qū)間壁板的防腐;對(duì)外浮頂?shù)妮p油罐,要求涂料除耐油品中的腐蝕介質(zhì)外還需要涂料具有優(yōu)良的耐候性及耐磨性,實(shí)踐證明用聚氨脂改性的環(huán)氧涂料較適合這種環(huán)境。

罐內(nèi)防腐表面處理應(yīng)采用磨料噴射處理,內(nèi)防腐表面至少達(dá)到 Sa2.5級(jí)。

3.2 涂料選擇的依據(jù)

按 GB50393進(jìn)行綜合性能檢測(cè),檢測(cè)指標(biāo)合格后方能考慮試用;

由于涂料市場(chǎng)較為復(fù)雜,涂料廠家較多,針對(duì)目前油罐腐蝕嚴(yán)重的狀況,除按 GB50393的基本檢測(cè)外,選用的防腐涂料應(yīng)先進(jìn)行試片浸泡在特定油品中的性能試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn),時(shí)間至少 6個(gè)月以上。對(duì)合格的涂料可考慮在油罐試用。

事實(shí)上,由于實(shí)驗(yàn)室條件和油罐的實(shí)際運(yùn)行狀況大不一樣,即使通過(guò)了上述檢測(cè),涂料的實(shí)際應(yīng)用效果仍需在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行評(píng)估。只有在實(shí)際運(yùn)用中成功的涂料才可以推廣應(yīng)用。

3.3 涂料施工及質(zhì)量管理

在 2010年下半年組織的輕質(zhì)油罐調(diào)研中發(fā)現(xiàn),很多企業(yè)對(duì)涂料施工管理非常粗放,有些處于失控狀態(tài)。大部分企業(yè)均未實(shí)行對(duì)涂料的抽檢制度,不易于控制質(zhì)量;對(duì)涂料防腐中間過(guò)程如表面處理、底漆等的檢查未執(zhí)行到位,有些對(duì)表面處理未按要求噴砂除銹;對(duì)涂層的厚度檢查也有很多企業(yè)執(zhí)行不到位。

4 建議

(1)防腐工程施工必須在罐體檢驗(yàn)、儲(chǔ)罐充水試驗(yàn)完成后進(jìn)行;

(2)嚴(yán)把涂料質(zhì)量關(guān),防腐涂料須經(jīng)檢驗(yàn)合格后方能使用;

(3)應(yīng)選用合理的施工工藝和方法,制定施工質(zhì)量保證措施、安全措施、施工時(shí)間和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等;

(4)應(yīng)編制具體的涂料配套方案,明確每道涂層用量、厚度要求等;

(5)刷涂達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)應(yīng)采用噴涂方式,噴涂時(shí)鋼鐵表面溫度應(yīng)高出現(xiàn)場(chǎng)露點(diǎn)溫度 3℃,且不宜高于 50℃;

(6)表面處理采用噴砂除銹時(shí),磨料應(yīng)按照規(guī)范選用,不應(yīng)采用河砂及海砂;

(7)涂層不能有砂粒、驗(yàn)收時(shí)可用 10倍放大鏡檢查漆膜;

(8)涂料施工應(yīng)按照相關(guān)工程程序檢查合格后方可進(jìn)行下一道工序,每道涂層應(yīng)有測(cè)厚及檢查記錄。驗(yàn)收時(shí)應(yīng)用涂層測(cè)厚儀對(duì)涂層厚度測(cè)定;

(9)施工單位應(yīng)選用專業(yè)的施工隊(duì)伍,有足夠的施工經(jīng)驗(yàn)并人員相對(duì)穩(wěn)定,且施工機(jī)具完備。

Internal Corrosion of Intermediate L ightO il Tanks in Refineries and Protection

D ing Shaojun
(SINOPEC M aom ing Petrochem ical Com pany,M aom ing,Guangdong525000)

The corrosion conditions of intermediate light oil tanks in the refinery processing high-sulfur high-TAN crudes and hazardous effects of corrosion failure on the equipment of tank far m and safe operation are described.The accidents of oil tank operation in S INOPEC’s companies in the last 10 years and oil tank construction for storage of inter mediate gasoline(naphtha)are introduced,and the corrosion and corrosion mechanisms of oil tanks of two main constructions are studied.The corrosion protection failure of coatings and causes of corrosion in middle wall plates of both internal and external floating-roof tanks are analyzed in respect of storage media,environment,coating properties,and tank construction and installation,etc.The basic considerations for coating selection and installation management are proposed based upon the coating submerge testing,corrosion management and installation conditions.

light oil tank,corrosion,submerged sealing,coating submerging,injection

TE986

A

1007-015X(2011)06-0013-05

2011-09- 02;修改稿收到日期:2011-10-14。

丁少軍 (1970-),工程師。長(zhǎng)期在該公司機(jī)動(dòng)部、煉油分部機(jī)動(dòng)處從事儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備、防腐技術(shù)及工程管理工作,擔(dān)任儲(chǔ)罐檢修項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

(編輯 張向陽(yáng))